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2019全球未来出行大会|国轩高科动力能源有限公司筑波研究院院长程骞:固态电池研发技术路线及展望

盖世直播 2019-10-31 13:32:55
核心提示:2019全球未来出行大会现场嘉宾演讲实录,敬请关注!

为更好地推动全球范围的跨界协同,理清出行公司、汽车公司、城市等各个主体在未来出行生态中的角色,讨论未来出行方式、出行科技、交通结构、交通战略会发生的重大变化以及整个行业将面临的机遇与挑战,中国电动汽车百人会组织举办2019 全球未来出行大会,以推动出行生态变革、转型创新和国际协同,迎接出行革命。以下为国轩高科动力能源有限公司筑波研究院院长程骞演讲内容实录:

电池,2019全球未来出行大会

谢谢主办方邀请,我接到的任务给了命题作文,讲一下全固态的事情,我个人本身今天是未来出行讲智能驾驶,我本身也是跟这个相关的,我之前一直在日本学习工作,我第一份工作也是做尼桑电池的设计,后面又去了美国苹果公司,从我们这边来看,电动车发展的历史来看,第一代非常非常早之前是铅酸电池,后面在日本丰田做混合动力,后面以特斯拉为代表的锂电池做电动车,下一代电动怎么发展呢?我们认为最有可能还是全固态的方式进行下一代的电动车。全固态我们认为并不一定会提高单体的能量密度,但是它一定会提高系统的能量密度,因为从安全性的角度来讲。

这是日本的数据,现行的液系目前我们做的,再往后做是先进的LIB,一些新的材料技术硅碳技术进一步提高能量密度,还是现在相同的体系,再往之后走,随着电动车越来越多,再往之后走第一个实现的还是硫化物的全固态电池,这也是今天主要想跟大家分享的。

首先为什么我们要做这个全固态电池呢?其实它最主要的一个原因就是说来保证它的热失控。要实现热失控的话,要有三个必要条件,第一个必要条件就是要高温,第二个要有氧气产生,第三个要有燃料,高温怎么有的,高温短路马上会产生750度高温,在产生这个高温的同时,正极材料会分解,一般都是氧化物,分解产生氧气。燃料是我们电解里面的溶剂,这三个东西都是电池自己带的,所以我们做过大量试验,即使水下我们用针刺或者一个电芯热失控以后,水下也能着起来。现在的话我们是阻止热失控,全固态的意思尤其是我们用这种氧化物、硫化物可以把氧化去掉,即使你有再高温度氧气也是几乎不可能着火,我们极大程度提高了安全性。这样做这个做最多的丰田公司,因为他们做汽车做百年了,他们不允许燃烧什么的出现在他们的车上面,他们下了很大力气研究固态电池。第二温度范围特别广,我们现在做的最好的从材料体系做的最好的是日本的三井金属(音),从材料的层级可以做10的负2次方和负3次方,意思它的离子导电性和液体的几乎可以一样甚至更好,更重要的是温度非常广,温度零下30度到100度都可以工作。这是什么意思呢?我们甚至可以不需要热管理系统,不需要液冷和强制风冷,我零下30度都可以,100度都可以工作为什么还要管理系统,这样的情况下让我们的电池包的设计是完全一个全新的,我们可以提高我们的效率。第三是快充性能,液体至少有两种离子,阴离子阳离子,对于锂离子一定要于0.5,对于全固态来讲只有锂离子可以移动,另外全固态一般液体的我们做到1.2、1.5摩尔浓度,即使离子导电路10的负4次方,因为你的浓度高,这样也可以提高快充性。最后一点,全固态以后不仅作为能源存储我甚至可以作为结构单元,可以放在底盘下面承受力,这样对我们整体结构设计也是全新的。

从材料角度来讲这是一个文献,目前做的最高的就是硫化物的全固态电池体系,氧化物还有比较小众的这些。首先我们比较一下液态和全固态,离子导电率角度讲我们非常接近液态,材料讲没有问题。像氧化物和一部分硫化物对金属离是稳定的,稳定的意思就是说在完全充电的情况下表面长可以不产生SEI,不像溶剂和石墨等反应形成SEI,如果氧化物的话也是稳定的,一部分硫化物也是稳定的。如果用金属离做负极的话,进一步提高能量密度。说到能量密度的话180瓦/kg比我们现在液体还是要低,循环的话1000到3000我们可以做到和液态没有问题。它现在最关键的问题就是工艺的问题,从整个制造工艺尤其硫化物这边,待会儿我们会分享,液体的话就已经非常成熟了。

第一个液态现行的,第二国内和美国做的比较多的,基于有机物的大家也说全固态,我认为不算全固态,因为没有解决全固态问题,安全性一样有问题,第三硫化物,第四氧化物,这几个大家作一个表比较一下,离子导电性来讲,polymer最差,硫化物最好,氧化物也做的不错。从温度区间范围来看,无机物温度肯定很宽,无机物这边也是不可燃,这个比液体地碳酸酯好,但没有从根本解决问题。这两种还是依靠于传统的磷酸锂,后面固态接近1。工艺上面polymer跟我们现有工艺兼容,工艺实现角度最容易,硫化物非常困难,主要困难是压实,这样对设备非常有挑战,几乎现在很多设备实现不了,或者做很小的一块电池,氧化物需要烧碱,这也是一个问题。硫化物那边来讲现在有这个工艺或者直接平板压成膜的方法,氧化物是烧碱的方法。polymer对金属离是稳定的,可以实现300到350,单体能量密度很高。再往后那个混了很多,因为时间不多了我稍微讲得快一点。

这边还有一些比较,总的来讲,硫化物有它的优势,但是从制造这些都是跟制造工艺相关,在工艺上面有极大的问题。这是一些文献数据,想说地结论硫化物电解质在低温下面比现在的液体有非常好的性能,它可以把电池做后电极,现在做成后电极电解液渗不进去一系列的问题,但放在全固态里面并不是那么敏感,提高十倍以后倍率性能也没有太多的影响。主要硫化物存在的几个问题,第一是正极里面抵抗层,这块会提高离子的阻抗,这是第一个。第二个因为我们现在用隔膜,隔膜大概有薄的九个微米、十二微米,如果做成固态不需要隔膜,固态电解质就是隔膜,这个东西我们技术水平也是工艺水平的问题,很难做薄,目前来讲日本做的最高的化是100个微米,现在还在往薄里做,第三问题是一些团聚,不像液态包裹核心物质,固态对固态,团聚很厉害,有些活性物质接触不到电解质,这是一个问题。第四个要实现一个高的密度,我们都要对压实有很大的挑战,压实现在的话传统的这个方法,还是比较痛苦。这个我们存在界面固态电解质跟正极界面存在的问题,如何解决呢?解决的方法就是说通过一个中间层的方式,来解决,这个方式问题解决比较好,日本这个公司开发了一个设备,可以解决这个问题。现在体积利用率还是很差,一个是压实压不实,第二固态电解质加的太多,其实固态电解质不是活性物质,电解液一样希望保证功能情况下加的越少越好,但是对于固态来讲我们很难去这样控制它的量,这样使得我们体积的利用率就很差。左边是三星SDI的数据,三星SDI现在做的方形电池液态的数据660瓦/升,260/千克,右边是全固态,我们可以看出来正极和负极活性物质的比例占的很少,传统都是90%它只有60%,另外是固态电解质,我们其实不需要这么多,没有办法现在的工艺只能实现这样。而且刚才说的隔膜,三星用的12微米,日本现在做到100微米,导致体积能量密度都比较低,如何解决这个问题,首先压实的这块很多,平板压、滚压,最后比较有效还是平板压,需要压强非常大,目前做的最大是5厘米乘5厘米的电池。固态电解质之间的隔膜,隔膜原来比较厚,现在薄膜化,现在用粉末喷涂工艺现在做薄,100微米,目标做30微米左右,喷涂的方法。

氧化物我简单说一下,它的特点是什么,做薄型电池,应用到动力电池里面很困难,成本很高,做到薄型,比如智能卡片这些它对金属离也是稳定的,存在问题也是跟硫化物差不多,体积利用率不高,对金属离稳定可以做和金属离符合的。做的最好是日本特殊陶业(音)做的全固态的模型。上一个能量密度都在这里。这个Soli-state,中国、韩国、日本、美国都在做,做的方向不太相同,中国和美国比较统一,美国基本上都是一些创新企业,创新企业就是要提高高的能量密度,350瓦时/千克,所以会做polymer,日本是截然相反,它的材料体系用的现成石墨配三元的体系,只是单纯把电解质换了,这样得到的结果就是单体能量密度肯定会降低,但是出发点不一样要提高整个系统的能量密度。这个是现有刚才说的三星SDI的液态265、660瓦时/升,目前来讲日立造船做得最好的是160、31,刚才的问题点都说到隔膜太厚,正负极活性物质占比太少,对于解决办法那一块也是非常明显,我们也是跟他们一起讨论这个事情。首先最容易实现就是我们把隔膜变薄,从100微米通过粉末喷涂做到20微米,几乎和现在液态比较接近,做到20微米我们可以实现180到300能量密度,这是现在已经做出来的。第二步要提高负极材料占活性比例,相对来讲比较容易提升,隔膜还是按20来算。再下一步正极提高活性物质占比可以达到230和430的质量和体积能量密度,再往后走这也是比较难的,最难就是提高压实密度,压实密度我们现在应该负极来讲是1.3,要压到1.6的情况下,到230到470,质量不变,体积再高一点。正极来讲3.1到3.5可以达到230和500体积,虽然230和500比三星SDI还是要低,但是系统角度来讲,这是现在市面上国际市场上一些电动车对应的电芯的体积能量,体积能量密度。pack质量能量密度和体积能量密度比较,即使做得最高的特斯拉Model3最高,如果我们刚才按数据250瓦时/千克和500瓦时/升的情况下,我们非常相信他们的存储效率38%我们做到80%没有问题这样可以达到200和400,比特斯拉多30%多,完全从能量密度角度来讲,即使用传统的石墨加三元对能量密度也是绰绰有余,而且我们不用担心安全性问题,这是为什么日本汽车公司花这么大力气做全固态,尤其无机物的全固态,主要为了提高系统能量密度。我就讲到这里,谢谢。


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